当你想象第一条从原始水域爬到陆地上的鱼时，很容易想象它成对的鳍最终是如何进化成现代脊椎动物的四肢的，包括人类。但是，芝加哥大学和西班牙安达卢西亚发展生物学中心的研究人员进行的一项新研究显示，这些生物如何利用一种更为原始的基因蓝图来发展它们的原始肢体:所有有颌鱼类共有的单一背部或背部鳍。
本周发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上的这项研究表明，鱼类、老鼠以及现代所有脊椎动物都具有相同的基因元素，而这些基因元素最初是用于发展古代鱼类的背鳍。后来，他们复制了这些元素，产生了配对的附件，如骨盆和胸鳍，手臂和腿。
这项新研究的合著者、芝加哥大学罗伯特·r·本斯利杰出服务解剖学教授尼尔·舒宾(Neil Shubin)说:“在化石记录中，你首先看到的是未配对的背鳍。”“我们在这里展示了所有鳍和其他配对附属物的遗传机制，它们最初都是在那里出现的，然后被重新部署到其他地方。”
由何塞·路易斯·戈麦斯-斯卡梅塔(Jose Luis Gomez-Skarmeta)领导的舒宾和他来自西班牙的同事们对老鼠和几种鱼类进行了基因分析，以追踪超音hedgehog基因(Shh)的表达。
在小鼠中，一种名为ZRS的基因增强剂或开关控制Shh肢体的表达。如果你敲掉老鼠的ZRS，它的四肢就不能正常发育。研究人员使用CRISPR/Cas9基因编辑工具，敲除了medaka的ZRS基因。medaka是一种小型、受欢迎的水族鱼，也被称为日本米鱼。他们本以为删除medaka中的ZRS会影响它成对的鳍，但结果却没有长出不配对的背鳍，成对的骨盆和胸鳍发育正常。
这使得研究小组寻找其他可能参与其中的基因增强子，他们在附近发现了一种名为sZRS的相关“影子增强子”，它似乎与主ZRS开关协同工作。当他们同时敲除medaka的ZRS和sZRS时，它的背鳍和成对的鳍都消失了。这意味着很可能ZRS最初被用来帮助发展背鳍，然后在大约4.75亿年前成对的鳍第一次出现时被复制并作为sZRS重复使用。
“这是非常古老的，所有脊椎动物的序列和功能都是保守的，”舒宾说。“事实证明，ZRS的原始作用与背鳍有关。直到后来，它在成对鳍中的活动才需要另一种阴影增强剂。”
舒宾说，了解这些增强子的活动有助于确定所有脊椎动物的进化祖先的痕迹，从他2004年发现的距今3.75亿年的过渡性“鳍足类”Tiktaalik roseae到现代人类。
他说:“人类的许多疾病都是由ZRS中的错误引起的，这些错误可能导致手指多余或缺失，或者导致手部形状的改变。”“人类可能也有这种阴影增强器，所以如果我们想要研究它如何影响肢体模式的动力学，我们可以从这些鱼类模型中看到的东西入手。”
这项研究得到西班牙经济竞争性部长、安达卢西亚政府、欧洲研究理事会和CAPES/Alexander von Humboldt基金会奖学金的支持。其他作者包括来自西班牙安达卢西亚发展生物学中心的华金·莱特利尔、伊利萨·德·拉卡尔-穆斯蒂内斯、西尔维亚·纳兰乔、伊格纳西奥·梅索和胡安·拉蒙·马丁内斯·莫拉莱斯;来自UChicago的Joyce Pieretti和Tetsuya Nakamura;进化形态学实验室的胡安·帕斯夸尔-安纳亚，日本理研所;还有来自巴西巴拉联邦大学的Igor Schneider。
-文章最初出现在前线网站
引文:“一个保守的Shh顺式调控模块突出了未配对和成对鳍的共同发育起源，”尼尔h舒宾等人，2018年3月19日，《自然遗传学》。DOI: 10.1038 / s41588 – 018 – 0080 – 5